如何正確的使用迴圈(使用for_each)? (C/C++) (STL) (template)

Abstract
之前在(原創) 如何使用for_each() algorithm? (C/C++) (STL) 曾經討論過for_each()，不過當時功力尚淺，只談到了皮毛而已，這次看了effective STL的item 41、43後，對for_each()又有了更深入的了解，因此做了本篇心得報告。

Motivation
看到了eXile的C++中实现 foreach使用了巨集對foreach做改善，也看到了很多人對STL style的for_each()做討論，使我想對STL的for_each()再做了一次研究。

Introduction
學習過STL的container後，想要存取每一個iterator，你一定寫過以下的程式

#include  < vector >
#include  < iostream >

using   namespace  std;

int  main()  {
  int ia[] = {1, 2, 3};
  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
  
  for(vector<int>::const_iterator iter = ivec.begin(); iter != ivec.end(); ++iter) {
    cout << *iter << endl;
  }
}

執行結果

1
2
3

當時我覺得STL什麼都好，就是以下這一串又臭又長

for (vector < int > ::const_iterator iter  =  ivec.begin(); iter  !=  ivec.end();  ++ iter)  {

若不常寫，一時還會寫不出來，其實若配合container，C++其實不應該這樣寫迴圈，正確的方式該使用for_each()，語法會變的相當簡單。

for_each()事實上是個function template，其實做如下[effective STL item 41]

template < typename InputIterator, typename Function >
Function for_each(InputIterator beg, InputIterator end, Function f)  {
  while(beg != end) 
    f(*beg++);
}

由以上source可知，for_each()只能配合global function和function object。

以下我們將對procedure based、object oriented、generics三種paradigm與for_each()搭配做探討。

Procedure Based與for_each()搭配
1.不傳入參數

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_GlobalFunction.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with global function
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12
13 using   namespace  std;
14
15 void  printElem( int &  elem)  {
16  cout << elem << endl;
17}
18
19 int  main()  {
20  int ia[] = {1, 2, 3};
21  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
22  
23  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem);
24}

執行結果

1
2
3

23行

for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem);

只需將vector::begin()，vector::end()和global function name傳給for_each()即可，再也不用for迴圈那種複雜的語法了。

2.傳入參數
若要傳參數給global function，就不能再只傳global function name而已，必須透過ptr_fun()這個function adapter將global function轉成function object，然後再用bind2nd()將參數bind成一個function object。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_GlobalFunctionWithParameter.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with global function with Parameter
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12 #include  < functional >
13
14 using   namespace  std;
15
16 void  printElem( int  elem,  const   char *  prefix)  {
17  cout << prefix << elem << endl;
18}
19
20 int  main()  {
21  int ia[] = {1, 2, 3};
22  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
23  
24  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), bind2nd(ptr_fun(printElem), "Element:"));
25}

執行結果

Element: 1
Element: 2
Element: 3

Object Oriented與for_each()搭配
1.不傳入參數
使用function object

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_FunctionObject.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with function object
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12
13 using   namespace  std;
14
15 struct  printElem  {
16  void operator() (int elem) {
17    cout << elem << endl;
18  } 
19} ;
20
21 int  main()  {
22  int ia[] = {1, 2, 3};
23  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
24  
25  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem());
26}

執行結果

1
2
3

2.傳入參數
若使用function object，也可以將參數傳給printElem()，透過constructor的技巧接收參數。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_FunctionObjectWithParameter.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with function object with parameter
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12
13 using   namespace  std;
14
15 struct  printElem  {
16  const char* _prefix;
17
18  printElem(const char* prefix) : _prefix(prefix) {}
19  
20  void operator() (int elem) {
21    cout << _prefix << elem << endl;
22  } 
23} ;
24
25 int  main()  {
26  int ia[] = {1, 2, 3};
27  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
28  
29  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem("Element:"));
30}

執行結果

Element: 1
Element: 2
Element: 3

function object有很多種寫法，但只要是function object都可以跟for_each()合作。

3.member_function與for_each()搭配
3.1 不傳入參數
本文的重點來了，在物件導向世界裡，最常用的就是for_each()配合member function，這該怎麼寫呢?直覺會這樣子寫

for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), & Door::open);

由於global function name本身就是一個pointer，所以想藉由&Door::open傳進一個address，但這樣compile並不會過，正確解法是

for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun_ref( & Door::open));

透過mem_fun_ref()這個function adapter將member function轉成function object。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : GenericAlgo_for_each_MemberFunctionObject.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use for_each with member function with object
 7Release     : 05/11/2007 1.0
 8*/
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12 #include  < functional >
13
14 using   namespace  std;
15
16 class  Door  {
17public:
18  void open() const {
19    cout << "open door horizontally" << endl;
20  }
21  
22  void close() const {
23    cout << "close door horizontally" << endl;
24  }
25} ;
26
27 class  DoorController  {
28protected:
29  vector<Door> _doorVec;
30  
31public:
32  void addDoor(Door aDoor) {
33    _doorVec.push_back(aDoor);
34  }
35  
36  void openDoor() const {
37    for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun_ref(&Door::open));
38  }
39} ;
40
41 int  main()  {
42  DoorController dc;
43  dc.addDoor(Door());
44  dc.addDoor(Door());
45  dc.openDoor();
46}

執行結果

open door horizontally
open door horizontally

37行

for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun_ref( & Door::open));

值得注意的是，mem_fun_ref()用在object的member function。若要搭配多型，vector必須放pointer，也就是得使用object pointer的member function，此時得使用mem_fun()將member function轉成function object。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : GenericAlgo_for_each_MemberFunctionObjectPointer.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use for_each with member function with object pointer
 7Release     : 05/11/2007 1.0
 8*/
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12 #include  < functional >
13
14 using   namespace  std;
15
16 class  AbstractDoor  {
17public:
18  virtual void open() const {
19    cout << "open door horizontally" << endl;
20  }
21  
22  virtual void close() const {
23    cout << "close door horizontally" << endl;
24  }
25} ;
26
27 class  HorizontalDoor :  public  AbstractDoor  {
28} ;
29
30 class  VerticalDoor :  public  AbstractDoor  {
31public:
32  void open() const {
33    cout << "open door vertically" << endl;
34  }
35  
36  void close() const {
37    cout << "close door vertically" << endl;
38  }
39} ;
40
41 class  DoorController  {
42protected:
43  vector<AbstractDoor*> _doorVec;
44  
45public:
46  void addDoor(AbstractDoor& aDoor) {
47    _doorVec.push_back(&aDoor);
48  }
49  
50  void openDoor() const {
51    for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun(&AbstractDoor::open));
52  }
53} ;
54
55 int  main()  {
56  DoorController dc;
57  dc.addDoor(HorizontalDoor());
58  dc.addDoor(VerticalDoor());
59  dc.openDoor();
60}

執行結果

open door horizontally
open door vertically

51行

for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun( & AbstractDoor::open));

使用了mem_fun()。

3.2傳入參數
問題又來了，若要使member function也傳入參數呢?這時得使用bind2nd將function object和參數bind在一起，變成另外一個新的function object。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : GenericAlgo_for_each_MemberFunctionObjectPointerWithParameter.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use for_each with member function with object pointer
 7Release     : 05/11/2007 1.0
 8*/
 9 #include  < iostream >
10 #include  < vector >
11 #include  < algorithm >
12 #include  < functional >
13
14 using   namespace  std;
15
16 class  AbstractDoor  {
17public:
18  virtual void open() const {
19    cout << "open door horizontally" << endl;
20  }
21  
22  virtual void close() const {
23    cout << "close door horizontally" << endl;
24  }
25  
26  virtual void openDoorBy(const char* name) const {
27    cout << name << " ";
28    open();
29  }
30} ;
31
32 class  HorizontalDoor :  public  AbstractDoor  {
33} ;
34
35 class  VerticalDoor :  public  AbstractDoor  {
36public:
37  void open() const {
38    cout << "open door vertically" << endl;
39  }
40  
41  void close() const {
42    cout << "close door vertically" << endl;
43  }
44} ;
45
46 class  DoorController  {
47protected:
48  vector<AbstractDoor*> _doorVec;
49  
50public:
51  void addDoor(AbstractDoor& aDoor) {
52    _doorVec.push_back(&aDoor);
53  }
54  
55  void openDoor() const {
56    for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), bind2nd(mem_fun(&AbstractDoor::openDoorBy), "John"));
57  }
58} ;
59
60 int  main()  {
61  DoorController dc;
62  dc.addDoor(HorizontalDoor());
63  dc.addDoor(VerticalDoor());
64  dc.openDoor();
65}

執行結果

1 John open door horizontally
2 John open door vertically

56行

for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), bind2nd(mem_fun( & AbstractDoor::openDoorBy),  " John " ));

透過了bind2nd將參數結合後，成為一個新的function object。

Generics與for_each()搭配
1.Function Template
1.1不傳入參數
在泛型世界裡，那for_each()該怎麼配合function template呢?

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_FunctionTemplate.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with function template
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12
13 using   namespace  std;
14
15 template < typename T >
16 void  printElem(T elem)  {
17  cout << elem << endl;
18}
19
20 int  main()  {
21  int ia[] = {1, 2, 3};
22  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
23  
24  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem<int>);
25  //for_each(ivec.begin(), ivec.end(), (void(*)(int))printElem);
26}

執行結果

1
2
3

若使用function template，有兩種寫法
一種是

for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem < int > );

由於template function需要在compile時確定型別，所以要加上<int>確定為int型別。
另外一種寫法

for_each(ivec.begin(), ivec.end(), ( void ( * )( int ))printElem);

template function並沒有確定型別，但轉成function pointer時，並須明確轉成int型別的function pointer。

1.2 傳入參數
若要如function object那樣能傳參數呢?funtion template是可以，不過有些限制，若使用nontype parameter，只能使用以下三種型別
1.int或enum
2.pointer：pointer to object，pointer to function，pointer to member。
3.reference：reference to object，reference to function。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_FunctionTemplateWithNontypeParameter.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with function template with nontype parameter
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12
13 using   namespace  std;
14
15 template < typename T,  int  i >
16 void  printElem(T elem)  {
17  cout << i << ":"  << elem << endl;
18}
19
20 int  main()  {
21  int ia[] = {1, 2, 3};
22  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
23  
24  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem<int, 5>);
25}

執行結果

5 : 1
5 : 2
5 : 3

所以無法如function object那樣可以傳入字串或任意型別，最少在目前ISO C++標準是做不到的。

既然討論了function template，那最具威力的class template是否也能搭配for_each()?

2.Class Template
2.1 不傳入參數

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_ClassTemplate.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with class template
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12 #include  < functional >
13
14 using   namespace  std;
15
16 template < typename T >
17 class  printElem :  public  unary_function < T,  void >   {
18public:
19  void operator() (T elem) {
20    cout << elem << endl;
21  }
22} ;
23
24 int  main()  {
25  int ia[] = {1, 2, 3};
26  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
27  
28  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem<int>());
29}

執行結果

1
2
3

17行

class  printElem :  public  unary_function < T,  void >   {

因為printElem只接受for_each()所傳的參數，算是單參數而已，所以public繼承了unary_function<T,void>，因為for_each的定義

template  < class  InputIterator,  class  UnaryFunction >
UnaryFunction for_each(InputIterator first, InputIterator last, UnaryFunction f);

傳進去的是UnaryFunction型別，第一個type parameter T表示傳入的型別，第二個type parameter void，表示回傳的型別，最後重新定義operator()。

2.2 傳入參數
若要使class template也能傳入參數，一樣利用function object的技巧，借用constructor。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3Filename    : GenericAlgo_for_each_ClassTemplateWithParameter.cpp
 4Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 5Description : Demo how to use for_each with class template & parameter
 6Release     : 05/11/2007 1.0
 7*/
 8 #include  < iostream >
 9 #include  < vector >
10 #include  < iostream >
11 #include  < algorithm >
12 #include  < functional >
13
14 using   namespace  std;
15
16 template < typename T, typename U >
17 class  printElem :  public  unary_function < T,  void >   {
18private:
19  U _prefix;
20  
21public:
22  printElem(U prefix) : _prefix(prefix) {}
23  
24  void operator() (T elem) {
25    cout << _prefix << elem << endl;
26  }
27} ;
28
29 int  main()  {
30  int ia[] = {1, 2, 3};
31  vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
32  
33  for_each(ivec.begin(), ivec.end(), printElem<int, const char*>("Element:"));
34}

執行結果

Element: 1
Element: 2
Element: 3

Conclusion
STL的for_each()事實上很好用，不過由於限制很多，所以常令很多新手卻步，本文試著將所有會遇到問題的地方都提出來討論，包括procedure based、object oriented、generics三種paradigm與for_each()的搭配都涵蓋了，希望對各位有幫助。

See Also
(原創) 如何使用Function Object? (C/C++) (STL)
(原創) 如何使用for_each() algorithm? (C/C++) (STL)
(原創) Function Pointer、Delegate和Function Object (C/C++) (C) (STL) (template) (C#)
(原創) 如何使for_each()傳回值? (C/C++) (STL)
(原創) 如何為程式碼加上行號? (C/C++) (STL)

Reference
Stanley B. Lippman，C++ Primer 3/e，1998
Scott Meyers， Effective STL， Addison Wesley，2001
David Vandevoorde / Nicolai M. Josuttis， C++ Templates The Complete Guide， Addison Wesley，2002
Nicolai M. Josuttis，The C++ Standard Library : A Tutorial and Referencd，Addison Wesley，1999
鄭家瑜，C++物件導向程式設計進階與應用，博碩文化，2004